DE10336657B4

DE10336657B4 - Verbundwerkstoff, insbesondere für Wärmetauscher, Wärmeleiter und Wärmespeicher

Info

Publication number: DE10336657B4
Application number: DE10336657A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Girlich; Jürgen Dr. Schädlich-Stubenrauch; Carsten Kühn
Original assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Current assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Priority date: 2003-08-09
Filing date: 2003-08-09
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2023-08-10
Also published as: DE10336657A1

Abstract

Verbundwerkstoff, insbesondere für Wärmetauscher, Wärmeleiter und Wärmespeicher, aus einer Metall-Legierung des Grundstoffes Aluminium und aus Siliciumcarbid, dadurch gekennzeichnet, dass er eine offenporige Schaumstruktur aufweist, bei der das Verhältnis Porenvolumen zum Gesamtvolumen mindestens 60 Prozent beträgt, der Anteil des Siliciumcarbids größer als 15 Gewichtsprozent ist und die mittlere Korngröße des Siliciumcarbids 20 Prozent der mittleren Stegdicke der Schaumstruktur nicht übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus Metall und einem pulverförmigen keramischen Werkstoff, dessen Anwendung sich für vielfältige Einsatzzwecke, so z. B. als Wärmetauscher, Wärmeleiter, z. B. in einem Wärmetauscher, oder Wärmespeicher, aber auch als thermisches oder akustisches Bauelement (Schallschutz), als Filtermaterial sowie im Bereich der Fluid-, Medizin- und Sicherheitstechnik anbietet.

Werkstoffe der genannten Art sind grundsätzlich als Metal-Matrix-Composites (MMCs) bekannt und umfassen eine umfangreiche Klasse von Materialen mit einer großen Vielfalt von Anwendungen. Die charakteristischen Eigenschaften von MMCs werden für Bauteile genutzt, die hohen mechanischen, dynamischen, abrasiven und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Weitere Anwendungen finden sich seit längerem im Bereich von Wärme-Management-Systemen und bei thermischen Bauelementen.

Metal-Matrix-Composites ermöglichen im allgemeinen eine höhere Einsatztemperatur als die davon abgeleiteten metallischen Ausgangsmaterialien. Sie können so ausgelegt werden, daß sie spezifischen Anforderungen hinsichtlich verbesserter Stabilität, Steifigkeit, thermischer Leitfähigkeit, Verschleißbeständigkeit, Langzeitermüdung und Formstabilität „maßgeschneidert" entsprechen; zudem weisen sie eine hohe Resistenz gegen organische Verbindungen wie Treibstoffe und Lösungsmittel auf. Anwendungsbeispiele, die seit längerem im Einsatz sind, sind beispielsweise Bremsscheiben für PKWs, Schneidwerkzeuge, Turbinen- und Motorenteile.

Speziell AlSiC ist ein Werkstoff mit großer Härte, so daß sich ein hochprozentiges AlSiC-Material nur mittels Diamantwerkzeugen (Bohrer, Fräser, Kreissäge), die aber trotzdem starken Verschleißerscheinungen unterliegen, bearbeiten läßt. AlSiC-Teile werden daher möglichst von vornherein so geformt, daß sie ohne nachträgliche Bearbeitung auskommen, das heißt es wird üblicherweise die gewünschte Verwendungsform, also "Net Shape", hergestellt. AlSiC-Teile sind nicht nur hochfest, sondern sie zeichnen sich auch durch eine äußerst kompakte Molekülanordnung aus.

AlSiC-Körper werden im allgemeinen pulvermetallurgisch oder gießtechnisch hergestellt, wobei die pulvermetallurgischen Verfahren kaltes Pressen und Sintern oder warmes Pressen umfassen. Weitere bekannte Verfahren, wie das Pressure-Infiltration Casting, Liquid Metal Infiltration und Spray Decomposition (Osprey-Prozesse) dienen ebenfalls der Herstellung von solchen Metal-Matrix-Composites, namentlich von AlSiC-Körpern.

Die Vorformherstellung als auch der Gasdruckinfiltrationsprozeß sind vielfältig weiterentwickelt, so ermöglicht beispielsweise ein flexibler Vorformherstellprozeß die Herstellung poröser Formen mit einem definierten SiC-Gehalt, wobei bei dem anschließenden Infiltrationsprozeß mittels Gasdruck flüssiges Aluminium in die vorgewärmte poröse Vorform hineingepreßt wird. Allerdings sind derart hergestellte SiC-Körper aufgrund des komplizierten Fertigungsprozesses bislang nur in maximalen Größen von 245 × 185 × 20 mm handelsüblich.

Weitere verfahrenstechnische Einzelheiten sind in Metal Matrix Composites and Metallic Foams, EUROMAT-Volume 5, Wiley-VCH, 2000, beschrieben, so z. B. auf Seite 237 „Charakterisierung eines AlSiC/AlMg10 Composites" von A. Zyska.

In der Literatur wird auch insbesondere auf die Gefahr des Entmischens der Komponenten Al und SiC eingegangen, da ja bekanntlich die Dichte der Al-Legierung 2,7 g/cm³ beträgt und die von SiC mit 3,2 g/cm³ um 18% höher ist. Gegenwärtig kann offensichtlich dieses Problem sowohl bei der pulvermetallurgischen als auch gießtechnischen Herstellung großer, komplexer Strukturen nicht beherrscht werden.

Die bisher erhältlichen AlSiC-Körper haben deshalb im allgemeinen eine einfache Form und sind meist nur in Plattenform erhältlich; überdies handelt es sich meist um kleiner dimensionierte Bauteile. Ursächlich hierfür ist mit Sicherheit auch, daß die in der Schmelze entstehenden und im Verbundwerkstoff erstarrenden Gasblasen erschweren, daß speziell bei größeren Bauteilen, reproduzierte Eigenschaften erzeugt werden können.

Speziell für Wärmetauscher, Wärmeleiter und Wärmespeicher sind allerdings gerade diese größeren Abmessungen regelmäßig erforderlich. Zudem besteht namentlich bei Wärmetauschern das Problem, daß für einen effektiven Wärmeaustausch zwischen den Medien eine möglichst große Austauschfläche erforderlich ist. Zu diesem Zweck weisen konventionelle Wärmetauscher Kühlkörper mit Rippenprofil und Bandwicklungen oder lammellenbesetzte Rohre auf. Der berührungslose Kontakt zwischen einem derartigen Kühlkörper und einem Medium wird über Rohre oder dergleichen hergestellt, die mit dem Kühlkörper mechanisch verbunden sind. Solche Verbindungen, die durch Pressen, Kleben oder Fügen hergestellt wurden, haben den Nachteil, daß Luftspalte Barrieren für den Wärmefluß bilden und die mechanische Belastbarkeit gering ist. Überdies ist die Berührungsfläche für den Wärmeaustausch zwischen Kühlkörper und Rohr gering. Zur Verbesserung des Wärmeaustauschs wird in DE 101 23 456 A1 erstmals ein Wärmetauscher vorgeschlagen, der aus offenporigem Metallschaum besteht, dessen Zellen derart miteinander verbunden sind, das ein fluides Medium durch den Metallschaum hindurch fließen kann. An den offenporigen Metallschaum ist ein Bauelement stoffschlüssig angegossen. Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieses porenförmigen Wärmetauschers ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 102 07 671 A1 entnehmbar.

Der Metallschaum bekannter poröser Strukturen besteht aus Aluminium.

Da Aluminium allerdings ein schlechter Wärmeleiter ist, ist dieser Werkstoff – obwohl aus gießtechnischen Gründen bevorzugt – eigentlich für Wärmetauscher kein zu bevorzugender Werkstoff; andererseits läßt sich hiermit das Anbindungsproblem zwischen der Schaumstruktur und dem zu kühlenden Bauele ment vergleichsweise einfach lösen; eine spezielle Entwicklung hierfür kann aus der nicht vorveröffentlichten DE 103 24 190 A1 entnommen werden. Dagegen wäre gerade für diesen Anwendungsfall SiC dank seiner sehr guten Wärmeleitfähigkeit ein nahezu idealer Werkstoff. Aber speziell hier steht das beschriebene Problem der Anbindung.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere soll es mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff möglich sein, komplexe und bei Bedarf größere Bauteile zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den nachfolgenden Ansprüchen.

Nach Maßgabe der Erfindung wird ein offenporiger Werkstoff, dessen Anwendung sich insbesondere für Wärmetauscher, Wärmeleiter und Wärmespeicher anbietet, vorgeschlagen, der aus einer Metall-Legierung des Grundstoffes Aluminium und Siliciumcarbid besteht. Die den Werkstoff kennzeichnende Porosität, also das prozentuale Verhältnis des Porenvolumens zum Gesamtvolumen, weist einen Wert > 60 % auf.

Das metallische Ausgangsmaterial des Verbundwerkstoffes besteht aus einer aus dem Grundstoff Aluminium basierenden Legierung; mit Vorzug wird eine AlSi7-Legierung verwendet. Die keramische Komponente ist durch Siliciumcarbid gebildet. Die mittlere Korngröße des Siliciumcarbids liegt dabei mit Vorzug im Bereich unter 20 Prozent der mittleren Stegdicke der Schaumstruktur; der Anteil des Siliciumcarbids am Verbundwerkstoff ist größer als 15 Gewichtsprozent.

Im weiteren liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, die offenporige Schaumstruktur des Verbundwerkstoffes mit einer Infiltration von einem oder mehreren Werkstoffen zu versehen. Demgemäß ist die offenporige Schaumstruktur durch eine Infiltrationsmasse aufgefüllt, die entweder selbst verfestigend ist oder verfahrenstechnisch verfestigt wird.

Erfindungsgemäß umfassen die Infiltrationsmassen die Gruppe der keramischen und der metallischen Werkstoffe, Polymere, Harze, feuerfeste Werkstoffe (z. B. Schamotte oder dergleichen). Dem Gedanken der Erfindung folgend muß also die Infiltrationsmasse verfestigend ausgeführt sein. Die Verfestigung erfolgt im einfachsten Fall durch Erstarren (z. B. bei Metallen oder Polymeren) oder durch Trocknen (z. B. bei Harzen, Schamottmassen) oder Sintern; gegebenenfalls werden Bindemittel verwendet, um eine Verfestigung der Infiltrationsmasse zu erreichen. Vorzugsweise besteht die Infiltrationsmasse aus einer Aluminium-Legierung.

Die Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Werkstoffes mit Infiltrationsmasse bieten sich gleichfalls für viele Anwendungsfälle an, so z. B. als Wärmespeicher, im Bereich der Implantattechnik und für militärische und zivile sicherheitstechnische Anwendungen.

Mit der erfindungsgemäßen großen Porosität der Metallstruktur und der damit verbundenen geringen mittleren Stegdicke wird also auch das Problem des Entmischens der Komponenten des Verbundwerkstoffes gelöst, da der dünne Werkstoff erstarrt, bevor eine Entmischung eintritt. Zugleich ist der angestrebte Vorteil, nämlich das mit dem SiC eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit erreicht wird und andererseits mit dem Aluminium beherrschte Fügetechnik verwendet werden kann, erreicht. Damit ergibt sich auch die Möglichkeit, sowohl sehr kleine als auch vergleichsweise große wärmeleitende Bauelemente, wie Wärmetauscher, Wärmeleiter und Wärmespeicher, herzustellen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierzu zeigt
1 einen Körper aus Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung,
2 die Anwendung des Verbundwerkstoffes als Wärmeleiter in einem Wärmespeicher,
3 die Anwendung des Verbundwerkstoffes als thermisches Bauelement am Beispiel eines Wärmeleiters für elektronische Bauteile und
4 einen Verbundwerkstoff mit Infiltration.
1 zeigt einen hergestellten Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung. Der Verbundwerkstoff weist also die offenporige Schaumstruktur auf; die Porosität beträgt 80%.
2 zeigt eine Anwendung des Verbundwerkstoffes 1 als Wärmeleiter 2 in einem Wärmespeicher 21. Der Wärmeleiter 2 dient als wärmeleitende Einlagerung, besteht aus einem Verbundwerkstoff 1 gemäß der Erfindung und ist dabei vollständig von dem Wärmespeicher 21 ummantelt. Der Wärmespeicher 21 besteht aus einem keramischen Werkstoff.
Der Verbundwerkstoff setzt sich aus einer AlSi7 Legierung und 25 Gewichtsprozent SiC zusammen und weist eine Porosität von 90 Prozent auf. Die mittlere Korngröße des SiC beträgt 20 μm.
Der so gestaltete Wärmespeicher kann in einem Temperaturbereich, dessen Höchstgrenze 80 Prozent der metallischen Komponente AlSi7 betragen kann, eingesetzt werden.
3 beschreibt eine Anwendung des Verbundwerkstoffes für ein thermisches Bauelement, das als Wärmeleiter für elektronische Bauteile dient.
Der Verbundwerkstoff 1 ist auf dem temperaturerzeugenden und/oder temperaturkritischen elektronischen Bauteil 3, beispielgebend einem Zentralprozessor, aufgebracht.
Der Verbundwerkstoff 1 besteht aus einer AlMg5 Legierung und 40 Gewichtsprozent SiC und weist eine Porosität von 75 Prozent auf.
4 offenbart einen Verbundwerkstoff 1 mit einer Infiltration 4.
Der Verbundwerkstoff 1 besteht aus einer AlSi12 Legierung und 60 Gewichtsprozent SiC. Dieser offenporige Verbundwerkstoff 1 bildet ein Trägermaterial für folgende Varianten des Ausführungsbeispiels, bei denen ein verfestigender Werkstoff bzw. Werkstoffkombinationen in den offenporigen Verbundwerkstoff eingebracht ist.

1. Die Infiltrationsmasse 4 besteht aus der selben Metall-Legierung wie das Trägermaterial, namentlich AlSi12
2. Die Infiltrationsmasse 4 besteht aus Polyethylen. Die Verfestigung erfolgt durch Sintern des pulverförmig in das Trägermaterial eingebrachten PE.
3. Die Infiltrationsmasse 4 besteht aus pulverförmigen SiC, welches mittels eines Bindemittels ausgehärtet ist.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen haben folgende Bedeutung:

1: Verbundwerkstoff
2: Wärmeleiter
21: Wärmespeicher
3: elektronischer Bauteil
4: Infiltration/Infiltrationsmasse

Claims

Verbundwerkstoff, insbesondere für Wärmetauscher, Wärmeleiter und Wärmespeicher, aus einer Metall-Legierung des Grundstoffes Aluminium und aus Siliciumcarbid, dadurch gekennzeichnet, dass er eine offenporige Schaumstruktur aufweist, bei der das Verhältnis Porenvolumen zum Gesamtvolumen mindestens 60 Prozent beträgt, der Anteil des Siliciumcarbids größer als 15 Gewichtsprozent ist und die mittlere Korngröße des Siliciumcarbids 20 Prozent der mittleren Stegdicke der Schaumstruktur nicht übersteigt.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offenporige Schaumstruktur durch eine Infiltration eines oder mehrerer verfestigender Werkstoffe aufgefüllt ist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration ein metallischer Werkstoff ist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration eine Legierung mit dem Grundstoff Aluminium ist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration aus einem keramischen Werkstoff, Polymer oder feuerfesten Werkstoff besteht.